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MIDC輸電系統(tǒng)后續(xù)換相失敗的抑制措施研究

文檔作者：文俊1 李佳琪1 王玲1 韓民曉1 李亞男2 閆涵1 李蓉1 文檔來源： 1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 2. 國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司,		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2024年07月02日
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上一篇：串補(bǔ)輸電系統(tǒng)次同步諧振分析及防止措施比較

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第38 卷 第4 期
2019 年4 月
電 工 電 能 新 技 術(shù)
Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol. 38, No. 4
Apr. 2019
收稿日期: 2017-10-30
基金項目: 高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃項目(“111”計劃)
作者簡介: 文　俊 (1963-), 女, 貴州籍, 教授, 研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姷目刂啤?運(yùn)行分析和規(guī)劃;
李佳琪 (1994-), 女, 湖北籍, 碩士研究生, 研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姷目刂啤?運(yùn)行分析和規(guī)劃。
MIDC 輸電系統(tǒng)后續(xù)換相失敗的抑制措施研究
文　俊1, 李佳琪1, 王　玲1, 韓民曉1, 李亞男2, 閆　涵1, 李　蓉1
(1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院, 北京 102206;
2. 國網(wǎng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司, 北京 102209)
摘要: 隨著直流輸送容量不斷增加,直流落點(diǎn)越來越密集,多饋入直流( MIDC) 輸電系統(tǒng)的換相失
敗問題日益凸顯。為降低多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗的概率,首先分析了多回直流同時或相繼
換相失敗的根本原因,然后結(jié)合常規(guī)低壓限流(VDCOL)控制,提出了電壓補(bǔ)償式變斜率VDCOL 協(xié)
調(diào)控制策略。該控制策略充分利用直流故障電流的變化特點(diǎn),綜合考慮了MIDC 輸電系統(tǒng)中各回
直流自身特性影響因素,選取合理的補(bǔ)償系數(shù)K,使各回直流能在故障后有序且穩(wěn)定地恢復(fù),從而
大大減少后續(xù)換相失敗的發(fā)生。同時根據(jù)故障的嚴(yán)重程度選擇性地切入K 值以達(dá)到提高直流系
統(tǒng)恢復(fù)性能的目的。最后在PSCAD/ EMTDC 中搭建算例系統(tǒng)及實(shí)際系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證,結(jié)果
表明該控制策略能有效降低多饋入直流輸電系統(tǒng)的后續(xù)換相失敗的概率,使各回直流在故障后能
夠有序地恢復(fù),同時在保證良好的恢復(fù)性能的基礎(chǔ)上大大提高了多饋入直流輸電系統(tǒng)的可靠性。
關(guān)鍵詞: 多饋入直流輸電系統(tǒng); 補(bǔ)償電壓; 低壓限流; 換相失敗; 補(bǔ)償系數(shù); 故障恢復(fù)
DOI: 10. 12067/ ATEEE1710055　　　文章編號: 1003-3076(2019)04-0079-10　　　中圖分類號: TM712
1　引言
高壓直流輸電方式已被廣泛應(yīng)用在非同步電網(wǎng)
互聯(lián)和遠(yuǎn)距離大功率輸電場合[1-3] 。隨著我國直流
工程的相繼投運(yùn),出現(xiàn)了多回直流接入同一地區(qū)的
電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這些直流與所饋入的交流電網(wǎng)共同形成
了多饋入直流(Multi-Infeed Direct Current,MIDC)輸
電系統(tǒng)[4,5] 。目前,我國已形成多個含有超大規(guī)模
多饋入直流輸電系統(tǒng)的電網(wǎng)。
MIDC 輸電系統(tǒng)由于各直流逆變站電氣距離較
近,當(dāng)其中一回直流發(fā)生換相失敗時,直流電流上
升,直流電壓下降,換流器對其所連的交流系統(tǒng)產(chǎn)生
更多的無功需求,引發(fā)換相電壓持續(xù)波動,進(jìn)一步降
低交流電壓,嚴(yán)重時可能導(dǎo)致其他各回直流相繼甚
至同時發(fā)生換相失敗。多回直流的同時功率恢復(fù)可
能誘發(fā)受端電網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定,而如果直流功率長
時間得不到恢復(fù),將導(dǎo)致多回直流閉鎖,繼而停運(yùn)。
含有最大規(guī)模的MIDC 輸電系統(tǒng)的華東電網(wǎng)曾由于
交流系統(tǒng)擾動而導(dǎo)致奉賢、林楓、宜華三回直流同時
發(fā)生換相失敗;另一個MIDC 輸電系統(tǒng)的廣東電網(wǎng)
的增穂乙線C 相故障導(dǎo)致全部5 回直流發(fā)生同時
換相失敗,上述事件均造成電網(wǎng)功率大幅度波動,對
電網(wǎng)產(chǎn)生了嚴(yán)重沖擊[6,7] 。因此當(dāng)電網(wǎng)擾動發(fā)生
時,如何使多饋入直流輸電系統(tǒng)快速恢復(fù)至穩(wěn)定狀
態(tài),抑制后續(xù)換相失敗具有重要意義。
目前研究MIDC 輸電系統(tǒng)換相失敗的抑制措施
及換相失敗后的協(xié)調(diào)恢復(fù)多從低壓限流(Voltage
Dependent Current Order Limiter,VDCOL)控制的角
度出發(fā),這是因?yàn)閂DCOL 控制特性直接影響直流
系統(tǒng)恢復(fù)特性,并間接影響直流系統(tǒng)的后續(xù)換相失
敗。常規(guī)VDCOL 控制采用電壓電流線性關(guān)系的恢
復(fù)特性,因此不能靈活調(diào)整直流電壓電流的變化,不
利于換相電壓的快速恢復(fù)。為克服常規(guī)VDCOL 控
制弊端,文獻(xiàn)[8]結(jié)合DC-VDCOL 和AC-VDCOL 兩
種控制方式,對常規(guī)VDCOL 控制進(jìn)行改進(jìn),仿真證
明改進(jìn)后的控制能有效提高M(jìn)IDC 輸電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)
定性;文獻(xiàn)[9]將各回直流的VDCOL 控制延長時間
常數(shù)τ 值的選取進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化;文獻(xiàn)[10]提出一種
8　0 電 工 電 能 新 技 術(shù)第38 卷 第4 期
基于模糊控制的自適應(yīng)VDCOL 控制,從而能動態(tài)
地適應(yīng)交直流系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的變化;文獻(xiàn)[11]提出
了以多饋入功率恢復(fù)因子為評價指標(biāo)的多回直流協(xié)
調(diào)恢復(fù)措施,使多回直流順序恢復(fù)直流功率,因此在
一定程度上減少了直流系統(tǒng)失穩(wěn)事故的幾率。
筆者提出了基于變斜率VDCOL 控制的電壓補(bǔ)
償協(xié)調(diào)控制策略,該控制方法能使故障后直流電流
指令快速下降,而故障切除后直流電流滯后于直流
電壓的上升,從而有效抑制后續(xù)換相失敗。隨后提
出了由補(bǔ)償因子選取補(bǔ)償系數(shù)K 的方法,并加入K
值切換開關(guān),使直流系統(tǒng)能根據(jù)故障的嚴(yán)重程度投
入補(bǔ)償電壓,在保證不發(fā)生換相失敗的同時盡可能
快地提高直流系統(tǒng)的故障恢復(fù)性能。最后在
PSCAD/ EMTDC 中搭建了算例系統(tǒng)及實(shí)際上海
MIDC 輸電系統(tǒng)模型,通過仿真驗(yàn)證了所提控制策
略的有效性。
2　MIDC 輸電系統(tǒng)換相失敗的機(jī)理分析
2. 1　多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗的機(jī)理
換相失敗分為一次換相失敗及后續(xù)換相失敗。
一次換相失敗是指故障后直流系統(tǒng)只發(fā)生一次換相
失敗即恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行,主要包括單回直流系統(tǒng)發(fā)生
的一次換相失敗以及多饋入直流輸電系統(tǒng)中多回直
流同時發(fā)生的一次換相失敗;對于單回直流系統(tǒng)而
言,后續(xù)換相失敗是指直流系統(tǒng)在交流系統(tǒng)故障清
除后或未及時恢復(fù)而誘發(fā)的兩次及以上次換相失
敗。而在多饋入直流輸電系統(tǒng)中,一回直流系統(tǒng)發(fā)
生的兩次或多次換相失敗,以及一回直流系統(tǒng)換相
失敗導(dǎo)致其他直流系統(tǒng)發(fā)生的一次或多次換相失敗
均稱為后續(xù)換相失敗。
多饋入直流輸電系統(tǒng)換相失敗的原因主要有兩
個:①受端電網(wǎng)故障,一回或多回直流系統(tǒng)換流母線
電壓發(fā)生嚴(yán)重畸變,導(dǎo)致電壓幅值下降及相位偏移,
從而引起這些直流系統(tǒng)同時發(fā)生換相失敗;②一回
直流系統(tǒng)發(fā)生換相失敗后,由于逆變站間的電氣耦
合作用較強(qiáng),導(dǎo)致相鄰直流相繼換相失敗[12,13] 。
在實(shí)際MIDC 輸電系統(tǒng)中,受端電網(wǎng)故障點(diǎn)如
果離逆變站較近,則一次換相失敗難以避免,防止直
流系統(tǒng)由一次換相失敗發(fā)展成后續(xù)換相失敗就具有
重要的工程應(yīng)用價值。后續(xù)換相失敗的發(fā)生與否與
直流系統(tǒng)控制相關(guān)。若控制措施不當(dāng),使直流系統(tǒng)
恢復(fù)過程中功率波動較大或恢復(fù)速度過慢,均可能
導(dǎo)致后續(xù)換相失敗。
2. 2　多饋入直流輸電系統(tǒng)后續(xù)換相失敗的危害
MIDC 輸電系統(tǒng)后續(xù)換相失敗的發(fā)生使多回直
流系統(tǒng)處于長時間的換相失敗中,各回直流短路持
續(xù)時間變長,直流電流過載嚴(yán)重;此外,逆變器會把
交流電引入直流回路中,可能引發(fā)直流回路諧振,導(dǎo)
致直流過電壓;同時換流母線電壓擾動加劇,可能導(dǎo)
致弱受端電網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定。如果各回直流系統(tǒng)長
期得不到恢復(fù),必然造成直流系統(tǒng)閉鎖,多回直流系
統(tǒng)的同時閉鎖可能誘發(fā)受端電網(wǎng)的頻率不穩(wěn)定。
3　變斜率VDCOL 控制的提出與設(shè)計
MIDC 輸電系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn),多回直流系統(tǒng)間
存在如下不良相互影響:一回直流系統(tǒng)換流母線電
壓波動將導(dǎo)致其他回?fù)Q流母線的電壓波動;某個換
流母線的電壓嚴(yán)重畸變可能導(dǎo)致其他換流母線出現(xiàn)
諧波放大,從而使故障后直流功率很難快速恢復(fù),進(jìn)
而引發(fā)后續(xù)換相失敗。VDCOL 控制在系統(tǒng)故障或
恢復(fù)過程中能緩解逆變站對交流系統(tǒng)的無功需求,
因此有助于緩解多回直流間的不良相互影響,在維
持交流電壓的同時,有助于減小后續(xù)換相失敗發(fā)生
的可能性。
3. 1　VDCOL 控制
低壓限流控制特性是指當(dāng)故障使直流電壓低于
限值Ud1 時,自動降低定電流控制的電流整定值,待
直流電壓恢復(fù)后,又自動恢復(fù)原有整定值的控制功
能[14,15] 。
VDCOL 控制特性的直流電流整定值對交流系
統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和直流系統(tǒng)的動態(tài)恢復(fù)特性均有很
大的影響。直流電流整定值增加過快或過慢均不利
于直流系統(tǒng)故障后的恢復(fù)。這是由于故障切除后,
直流電流的過快上升將使逆變器的無功消耗增大過
快,受端電網(wǎng)由于無功支撐乏力而可能發(fā)生電壓失
穩(wěn),導(dǎo)致直流系統(tǒng)后續(xù)換相失敗的發(fā)生;而直流電流
恢復(fù)太慢則將導(dǎo)致有功功率傳輸水平的下降,不利
于維持交流系統(tǒng)的功角穩(wěn)定,也會導(dǎo)致后續(xù)換相失
敗的發(fā)生。常規(guī)VDCOL 控制的伏安特性呈正比例
關(guān)系,不能根據(jù)故障嚴(yán)重程度及受端電網(wǎng)的強(qiáng)度靈
活調(diào)節(jié)直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性。對于MIDC 輸電系
統(tǒng),更無法滿足故障切除后各逆變器在同一時刻均
存在大量無功功率需求的特殊性,容易導(dǎo)致多回直
流發(fā)生后續(xù)換相失敗。
3. 2　變斜率VDCOL 控制原理
常規(guī)的VDCOL 控制如圖1 中曲線1 所示,該斜
文　俊,李佳琪,王　玲,等. MIDC 輸電系統(tǒng)后續(xù)換相失敗的抑制措施研究[J]. 電工電能新技術(shù), 2019,38(4):79-88. 8　1
率為固定斜率。由于該控制特性曲線在故障的任意
時刻均為同樣的斜率,因而靈活性不高。因此在常
規(guī)VDCOL 控制的基礎(chǔ)上,考慮采用變斜率VDCOL
控制策略,如圖1 中曲線2 所示。UdL1、UdL2 分別為
常規(guī)和變斜率VDCOL 控制下對應(yīng)的直流電壓最低
動作值;IdH、IdL 分別為最大允許電流和最小允許電
流,UdH1、UdH2 為相應(yīng)的直流電壓最高動作值。在故
障切除初期,直流電流變化較大,直流電壓由UdL1
滯后至UdL2,滯后程度較大;隨著直流電流及受端電
壓水平的緩慢恢復(fù),直流電流的變化率逐漸減小,直
流電壓滯后程度也減小,在接近額定值時,直流電壓
由UdH1 滯后至UdH2,滯后程度很小,此時VDCOL 控
制特性的斜率最大,從而實(shí)現(xiàn)恢復(fù)初期減緩恢復(fù)速
度,較高直流電壓水平提升恢復(fù)速度的目標(biāo),滿足了
快速恢復(fù)直流功率的需求。因此變斜率VDCOL 控
制特性曲線對故障后的換相失敗抑制以及故障后的
直流系統(tǒng)恢復(fù)均有利。
圖1　變斜率VDCOL 控制特性曲線
Fig. 1　Characteristic curve of variable slope VDCOL
3. 3　電壓補(bǔ)償式變斜率VDCOL 控制的設(shè)計
為了實(shí)現(xiàn)變斜率VDCOL 控制,在VDCOL 控制
的輸入端增加一個反映直流電流變化率的補(bǔ)償電壓
Udc。由于穩(wěn)態(tài)時直流電流近似恒定,因此補(bǔ)償電壓
也近似為零。補(bǔ)償電壓Udc 為:
Udc = K dId
dt (1)
式中,K 為補(bǔ)償系數(shù)(K≥0);Id 為直流電流;t 為時
間。
此時VDCOL 的控制斜率變?yōu)?
k = (Idi - IdL) / (Udi - ΔUdcHi - UdL1) (2)
式中,Idi 與Udi 分別為某一時刻實(shí)際的直流電流和
直流電壓;ΔUdcHi 為某一時刻低壓限流補(bǔ)償電壓。
補(bǔ)償電壓的存在使VDCOL 控制直流電壓的動作滯
后,電壓補(bǔ)償式變斜率VDCOL 控制電路如圖2 所
示,輸入仍然為直流電壓Ud,然而經(jīng)過常規(guī)VDCOL
和變斜率VDCOL 的輸出電流指令值不同,在改進(jìn)
環(huán)節(jié)中考慮到故障瞬間直流電流突增,可瞬間達(dá)到
6~8pu,若直流電流的變化率不加限制,則無論是否
為嚴(yán)重故障,直流電流均可能在變斜率VDCOL 控
制的作用下直接跌至最低限制值,失去了VDCOL
控制依賴直流電壓選擇直流電流大小的功能,因而
對直流電流的變化率進(jìn)行了限制。
圖2　電壓補(bǔ)償式變斜率VDCOL 控制電路
Fig. 2　Control circuit of variable slope VDCOL with
voltage compensation
4　MIDC 輸電系統(tǒng)的選擇性電壓補(bǔ)償式變
斜率VDCOL 協(xié)調(diào)控制策略
　　在故障恢復(fù)期間,MIDC 輸電系統(tǒng)最大的特點(diǎn)
是各逆變站對交流系統(tǒng)無功功率的需求較大,為了
避免因各換流母線電壓同時快速恢復(fù)引發(fā)的后續(xù)換
相失敗,需要合理協(xié)調(diào)各直流系統(tǒng)的VDCOL 控制,
使多饋入直流有序地恢復(fù)。
4. 1　補(bǔ)償系數(shù)K 值選取的影響指標(biāo)
MIDC 輸電系統(tǒng)發(fā)生多回直流同時或相繼換相
失敗后,各直流系統(tǒng)的協(xié)調(diào)恢復(fù)與自身的特性緊密
相關(guān)。因此MIDC 各直流子系統(tǒng)恢復(fù)方案中K 值的
確定需結(jié)合以下幾個因素綜合考慮:
(1)交流系統(tǒng)強(qiáng)度SCR
交流系統(tǒng)的強(qiáng)度SCR(即短路比)決定了其對
換流母線電壓的支撐能力。交流系統(tǒng)越強(qiáng),在直流
系統(tǒng)恢復(fù)過程中,抵御電壓變化的作用越強(qiáng)[16] 。
(2)多饋入相互作用因子MIIF
多饋入相互作用因子MIIF 是用電壓的相對變
化率來衡量逆變站間相互影響的強(qiáng)度,MIIF 定義
為:當(dāng)換流母線i 投入對稱三相電抗器使得該母線
電壓降低1%時,直流子系統(tǒng)j 的換流母線的電壓變
化率如下[17] :
MIIFji = ΔUj
ΔUi (3)
式中,0≤MIIF≤1。MIIF 越大,表示換流母線i 的
電壓波動對換流母線j 的電壓影響越大,各直流子
8　2 電 工 電 能 新 技 術(shù)第38 卷 第4 期
系統(tǒng)間的相互作用越強(qiáng)。
(3)直流功率Pd
直流系統(tǒng)傳輸功率越大時,故障切除后直流系
統(tǒng)恢復(fù)過程中消耗的無功功率越大,對其他各回直
流換流母線的影響也越大。
同時還需要考慮受端交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定和功
角穩(wěn)定何者占主導(dǎo)地位。交流系統(tǒng)較強(qiáng)時,電壓支
撐能力較強(qiáng),功角穩(wěn)定是首要考慮的問題,因此故障
恢復(fù)期間可以盡快恢復(fù)直流功率的傳輸,此時VDCOL
控制曲線應(yīng)左移;交流系統(tǒng)較弱時,其電壓支
撐能力較弱,電壓穩(wěn)定成為主要問題,應(yīng)盡量減少故
障恢復(fù)期間換流站從交流系統(tǒng)吸收的無功功率,此
時VDCOL 控制曲線應(yīng)右移,使直流系統(tǒng)緩慢恢
復(fù)[18] 。定義電壓補(bǔ)償系數(shù)K 如下:
Ki = m / MISCRi =
Pdi + Σn
j = 1,j≠i
MIIFji Pdj
mSaci (4)
式中,m 為補(bǔ)償因子;MISCRi 為第i 回直流多饋入
短路比;Pdi 、Saci 為第i 回直流的直流功率、短路容
量;MIIFij 為第i、j 回直流間的多饋入相互作用因
子。由式(4)可知,MISCRi 越大,表明該回直流受端
系統(tǒng)越強(qiáng),K 值越小,該回直流應(yīng)盡快恢復(fù),反之則
緩慢恢復(fù)。K 同時考慮了交流系統(tǒng)的強(qiáng)度、直流系
統(tǒng)間的耦合作用和直流傳輸?shù)墓β实纫蛩?。在其?
因素不變的情況下,該回直流功率、MIIF 越大,K 值
越大,該回直流系統(tǒng)應(yīng)緩慢恢復(fù),從而減少對其他各
回直流系統(tǒng)的沖擊;反之直流系統(tǒng)應(yīng)盡早恢復(fù)。因
此各回直流系統(tǒng)的恢復(fù)順序通過K 錯開來實(shí)現(xiàn)
MIDC 輸電系統(tǒng)多回直流的有序恢復(fù)[19] 。
K 值選取過大或過小均不利于直流系統(tǒng)的穩(wěn)定
恢復(fù)。通過大量仿真驗(yàn)證,確定了強(qiáng)、弱交流系統(tǒng)對
應(yīng)的直流系統(tǒng)K 值可選范圍分別宜為[0,0. 05]、
[0,0. 5]。其中m 的選取與各受端交流系統(tǒng)的MISCR
相關(guān)。當(dāng)直流系統(tǒng)回數(shù)大于等于2 時,K 值的具
體選取分為如下三種情況(直流系統(tǒng)回路數(shù)為兩回
且受端交流系統(tǒng)恰好為一強(qiáng)一弱時,選取原則為弱
系統(tǒng)取K =0. 5,強(qiáng)系統(tǒng)在[0,0. 05]的范圍內(nèi)選取,
其中MISCR 小于3 可認(rèn)定為弱受端交流系統(tǒng)):
(1)各受端交流系統(tǒng)均為強(qiáng)系統(tǒng),此時令最強(qiáng)
交流系統(tǒng)中相對最弱的交流系統(tǒng)i 為0. 05,其他各
回直流的K 值根據(jù)式(5)計算產(chǎn)生。
Kj = m / MISCRj , m = 0. 05MISCRi (5)
　　(2)各受端交流系統(tǒng)均為弱系統(tǒng),此時令最弱
的交流系統(tǒng)i 對應(yīng)的K 值為0. 5,其他各回直流的補(bǔ)
償系數(shù)為:
Kj = m / MISCRj , m = 0. 5MISCRi (6)
　　(3)受端交流系統(tǒng)同時存在強(qiáng)系統(tǒng)和弱系統(tǒng)
時,考慮到強(qiáng)系統(tǒng)對應(yīng)的直流系統(tǒng)的恢復(fù)過程會對
弱系統(tǒng)對應(yīng)的直流系統(tǒng)恢復(fù)存在影響,因此強(qiáng)弱交
流系統(tǒng)的補(bǔ)償系數(shù)應(yīng)分別按式(5)和式(6)進(jìn)行計
算。
4. 2　選擇性電壓補(bǔ)償式變斜率VDCOL 控制策略
對于弱受端交流系統(tǒng)而言,故障程度較輕時,以
正常速度恢復(fù)即可;故障程度較嚴(yán)重,或者多回直流
換流母線的近區(qū)同時發(fā)生單相接地故障時,直流電
壓電流應(yīng)緩慢恢復(fù)。為實(shí)現(xiàn)該功能,加入K 值切換
開關(guān),使直流系統(tǒng)能根據(jù)故障嚴(yán)重程度選擇性加入
補(bǔ)償系數(shù)K,K 值切換開關(guān)功能實(shí)現(xiàn)如圖3 所示。
圖3　選擇性電壓補(bǔ)償式變斜率VDCOL 控制框圖
Fig. 3　Control block diagram of selective variable slope
VDCOL with voltage compensation
圖3 中補(bǔ)償系數(shù)K0 =0,表示正常運(yùn)行狀態(tài)時該
模塊不起作用。當(dāng)換流母線電壓持續(xù)低于某一閾值
時,表明發(fā)生了較嚴(yán)重故障,選擇1 開關(guān)切換至K1,
該值由各補(bǔ)償因子共同確定。與此同時,選擇2 開
關(guān)切換至“1”,K1 值加入后,各回直流系統(tǒng)的恢復(fù)過
程根據(jù)K 值大小有序地進(jìn)行;隨著直流電壓逐漸恢
復(fù)趨近額定電壓,選擇2 開關(guān)切換至“0”,經(jīng)過與門
后補(bǔ)償系數(shù)變?yōu)榱?補(bǔ)償系數(shù)不再起作用,各回直流
均以各自最大的速度恢復(fù)使MIDC 輸電系統(tǒng)較快地
恢復(fù)至額定狀態(tài)。
5　仿真驗(yàn)證
5. 1　算例系統(tǒng)
在PSCAD/ EMTDC 中搭建基于直流工程控制
系統(tǒng)的雙饋入直流輸電模型,其中,每回直流系統(tǒng)的
整流側(cè)和逆變側(cè)均分別采用定電流和定αmax 控制;
K =0 為常規(guī)VDCOL 控制方式;K>0 為電壓補(bǔ)償式
變斜率VDCOL 控制方式。兩回直流系統(tǒng)通過站間
文　俊,李佳琪,王　玲,等. MIDC 輸電系統(tǒng)后續(xù)換相失敗的抑制措施研究[J]. 電工電能新技術(shù), 2019,38(4):79-88. 8　3
阻抗Zij =(60+j31. 4)Ω 相連,其他各參數(shù)見表1。
表1　雙饋入直流輸電系統(tǒng)參數(shù)
Tab. 1　System parameters of two-infeed HVDC
直流
系統(tǒng)
直流
電壓
/ kV
輸送
功率
/ MW
受端系統(tǒng)
電壓
/ kV
系統(tǒng)等
值阻抗
/ Ω
短路比K
1 ±500 3000 521 1. 803+j17. 91 5 0. 05
2 ±500 3000 515 2. 509+j25. 07 3. 5 0. 5
(1)令直流系統(tǒng)2 的K =0。在t =3s 時刻,直流
系統(tǒng)1 逆變側(cè)換流母線設(shè)置三相直接接地故障,故
障持續(xù)0. 1s 后切除,該回直流在K = 0 和K = 0. 05
時的仿真波形如圖4 所示。其中,從上往下各波形
依次為直流電流Id、直流電壓Udr、功率Pd、觸發(fā)角
α、關(guān)斷角γ(下同),當(dāng)關(guān)斷角小于最小關(guān)斷角12o
即認(rèn)為發(fā)生一次換相失敗[20] 。
圖4　直流系統(tǒng)1 的波形(直流系統(tǒng)1 三相直接接地故障)
Fig. 4　Waveform of DC system 1 while DC system 1
occurs three phase to earth
由圖4 可見:①常規(guī)VDCOL 控制(即K = 0)下
的直流系統(tǒng)2 發(fā)生了2 次換相失敗,而采用電壓補(bǔ)
償式變斜率VDCOL 控制的直流系統(tǒng)2 僅發(fā)生了1
次換相失敗,說明變斜率VDCOL 控制策略能有效
地抑制直流系統(tǒng)后續(xù)的換相失敗;②兩種控制策略
下穩(wěn)態(tài)時的波形完全一致,表明K 值在穩(wěn)態(tài)時不起
作用。
( 2)在t =3s 時刻,在直流系統(tǒng)2 逆變側(cè)換流母
線設(shè)置三相經(jīng)電抗接地故障(L = 0. 1H,HVDC1 系
統(tǒng)K =0),假設(shè)此時故障線路所在變電站中開關(guān)單
相拒動,考慮失靈保護(hù)于故障后0. 2s 后切除。直流
系統(tǒng)2 對應(yīng)于K = 0 及K = 0. 5 時的波形如圖5 所
示。
圖5　直流系統(tǒng)2 的波形(直流系統(tǒng)2 三相經(jīng)電抗接地)
Fig. 5　Waveform of DC system 2 while DC system 2 occurs
three phase to earth through reactance
由圖5 可知,K =0. 5 時,直流系統(tǒng)恢復(fù)平緩,換
相失敗次數(shù)由K =0 時的2 次變?yōu)? 次,說明變斜率
VDCOL 控制策略能有效地抑制直流系統(tǒng)后續(xù)的換
相失敗。
對比圖6 中弱受端交流系統(tǒng)K =0. 55 與K =0. 5
時(t =3s 時刻,在HVDC2 逆變側(cè)換流母線設(shè)置三相
經(jīng)電抗接地故障,持續(xù)時間為0. 1s)的電流恢復(fù)波
形進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),K = 0. 55 對應(yīng)的波形在接近額定
直流電流時直流電流波動較大,容易引起后續(xù)振蕩,
從而誘發(fā)后續(xù)換相失敗。因此K 取值不宜過大。
8　4 電 工 電 能 新 技 術(shù)第38 卷 第4 期
圖6　直流系統(tǒng)2 不同K 值下的波形
(直流系統(tǒng)2 三相經(jīng)電抗接地)
Fig. 6　Waveforms of DC system 2 under different
K values while DC system 2 occurs three phase
to earth through reactance
同樣對比圖7 中強(qiáng)交流系統(tǒng)K = 0. 05 和K =
0. 06 時(t = 3s 時刻,在HVDC1 逆變側(cè)換流母線設(shè)
置三相直接接地故障,持續(xù)時間為0. 1s)的直流電
流恢復(fù)波形可知,K = 0. 06 時直流系統(tǒng)發(fā)生了2 次
換相失敗,而K = 0. 05 時僅發(fā)生了一次換相失敗。
由此可見,對于強(qiáng)受端交流系統(tǒng)K 值不宜過大,過
大會造成后續(xù)的換相失敗。
圖7　直流系統(tǒng)1 不同K 值下的波形
(直流系統(tǒng)1 三相直接接地)
Fig. 7　Waveforms of DC system 1 under different K
values while DC system 1 occurs three phase to earth
因此令強(qiáng)交流系統(tǒng)的K 值選取范圍為[0,
0. 05],弱交流系統(tǒng)的K 值選取范圍為[0,0. 5],能
有效抑制后續(xù)換相失敗的發(fā)生。5. 2　常規(guī)與改進(jìn)VDCOL 控制策略下的仿真分析
以上海電網(wǎng)直流輸電工程為例,上海電網(wǎng)共接
入宜都-華新、葛洲壩-南橋南、楓涇-練塘、復(fù)龍-奉賢
共4 回直流輸電線路,如圖8 所示。其中,宜都-華
新、葛洲壩-南橋南、楓涇-練塘三回直流的額定電壓
均為±500kV,額定功率分別為3000MW、3000MW 和
1200MW,兩端換流器均為12 脈動的雙極結(jié)構(gòu),復(fù)
龍-奉賢為特高壓直流輸電線路, 額定參數(shù)為
±800kV,6400MW,兩端換流器均為雙12 脈動串聯(lián)
的雙極結(jié)構(gòu),配置了交、直流濾波器組及無功補(bǔ)償裝
置。所有參數(shù)均采用實(shí)際參數(shù)。
圖8　四饋入直流輸電系統(tǒng)模型
Fig. 8　Four-infeed HVDC model
(1)案例1:模擬最嚴(yán)重故障情況,在華新、楓
涇、南橋、奉賢四個逆變站換流母線處設(shè)置3s 時刻
三相短路接地故障,故障持續(xù)時間0. 1s。觀察該故
障情況下常規(guī)VDCOL 控制與電壓補(bǔ)償控制策略下
的各直流回回路的恢復(fù)特性。各站K 值按照表2
選取(下同)。
表2　四回直流穩(wěn)態(tài)運(yùn)行參數(shù)
Tab. 2　Steady-state operation parameters
of four-infeed HVDC
直流觸發(fā)角/ (°) MISCR 關(guān)斷角/ (°) K
宜華15 4. 9 18. 80 0. 050
林楓16. 16 4. 9 18. 72 0. 050
葛南15. 2 2. 8 16. 16 0. 500
復(fù)奉15. 5 5 18. 87 0. 049
由仿真圖9 可知:①各直流系統(tǒng)在t =3s 時刻故
障瞬間發(fā)生了一次換相失敗,由于各直流間的相互
影響,大約在t =3. 2s 又發(fā)生了一次換相失敗,而南
橋站大約再過了0. 1s 左右發(fā)生了第二次換相失敗,
后逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài),各直流的恢復(fù)時間均很長;
②加入電壓補(bǔ)償式變斜率VDCOL 控制策略后,各
直流恢復(fù)速度減緩,南橋站及其他各站均未發(fā)生第
二次的換相失敗,說明該控制策略控制能有效夠減
少M(fèi)IDC 輸電系統(tǒng)的后續(xù)換相失敗。
(2)案例2:假設(shè)華新、南橋兩個逆變站換流母
線處在3s 時刻發(fā)生單相接地故障,故障持續(xù)時間為
0. 1s。同時在4s 時設(shè)置四個逆變站均發(fā)生三相接
地故障,觀察電壓補(bǔ)償式(控制策略A,下同)與選
擇性電壓補(bǔ)償式變斜率VDCOL 控制策略下(控制
策略B,下同)的各回直流系統(tǒng)的恢復(fù)特性。其中圖
10(a)、10(b)分別為控制策略A、B 下各回直流對
文　俊,李佳琪,王　玲,等. MIDC 輸電系統(tǒng)后續(xù)換相失敗的抑制措施研究[J]. 電工電能新技術(shù), 2019,38(4):79-88. 8　5
圖9　四回直流逆變側(cè)換流母線均發(fā)生三相接地
故障后直流系統(tǒng)波形
Fig. 9　Waveform of DC system while three phase to earth
fault occurs in the four inverter buses simultaneously
應(yīng)的直流電壓電流等的波形。
控制策略A 下,無論交流系統(tǒng)換流母線是否發(fā)
生嚴(yán)重故障,K 值一直存在;控制策略B 下正常及輕
微故障程度下K 值均為0,僅在系統(tǒng)發(fā)生較嚴(yán)重故
障時K 值才投入。
如圖10 所示,t =3s 時刻發(fā)生單相接地故障,對
比兩種控制下的系統(tǒng)響應(yīng),顯然發(fā)現(xiàn):①南橋站各參
數(shù)的變化最大,控制策略A 下的系統(tǒng)響應(yīng)表現(xiàn)為單
相接地故障時直流系統(tǒng)的恢復(fù)時間非常長,達(dá)到額
定狀態(tài)的時間為0. 4s,而控制策略B 下的直流系統(tǒng)
恢復(fù)時間為0. 2s,控制策略B 較A 有更優(yōu)的直流系
統(tǒng)恢復(fù)性能;②華新、楓涇和奉賢三個逆變站受端交
流系統(tǒng)較強(qiáng),其K 值均較小,因此在兩種控制策略
下系統(tǒng)響應(yīng)表現(xiàn)基本一致。
綜合控制策略A、B 的特點(diǎn)及仿真結(jié)果可知:①
發(fā)生輕微故障(如單相接地故障) 時,K 值可不投
入,以保證直流系統(tǒng)的正?；謴?fù)速度;②發(fā)生嚴(yán)重故
圖10　四回直流逆變側(cè)換流母線先后發(fā)生單相、
三相接地故障后直流系統(tǒng)波形
Fig. 10　Waveform of DC system while four inverter commutation
buses occur single phase and three-phase
to earth successively
障(如三相接地故障)時,如果是弱受端交流系統(tǒng),
應(yīng)投入K 值,以減緩直流系統(tǒng)的恢復(fù)速度,防止發(fā)
生后續(xù)換相失敗;③無論發(fā)生輕微或嚴(yán)重接地故障,
對于強(qiáng)受端交流系統(tǒng),因根據(jù)其補(bǔ)償系數(shù)K 值較
小,所以K 值的投入對直流系統(tǒng)的恢復(fù)影響不大。
(3)案例3:假設(shè)華新、楓涇、南橋、奉賢四個逆
變站換流母線處在3s 時刻設(shè)置三相接地故障,故障
持續(xù)0. 1s,直流系統(tǒng)恢復(fù)后,在4s 時刻,宜華、南橋
發(fā)生單相接地故障,故障同樣持續(xù)0. 1s,觀察控制
策略A、B 下的各回直流的恢復(fù)特性。其中圖11
(a)、11(b)分別為控制策略A、B 下各直流對應(yīng)的
直流電壓電流等的波形。
由仿真圖11 可知:①發(fā)生三相交流系統(tǒng)故障
后,控制策略B 使各直流系統(tǒng)的恢復(fù)速度變慢;②
華新、楓涇、奉賢三回直流在控制策略A、B 下波形
基本一致,主要是由于其受端交流系統(tǒng)較強(qiáng),對應(yīng)K
值較小;③對比南橋站在兩種控制策略下的直流響
8　6 電 工 電 能 新 技 術(shù)第38 卷 第4 期
圖11　四回直流逆變側(cè)換流母線先后發(fā)生三相、
單相接地故障后直流系統(tǒng)波形
Fig. 11　Waveform of DC system while four inverter commutation
buses occur three-phase and single-phase
to earth successively
應(yīng)圖11(a3)、11(b3)可知,南橋站發(fā)生三相接地故
障后K 值均投入,然而在發(fā)生后續(xù)單相接地故障
時,控制策略A 下的直流系統(tǒng)兩次故障恢復(fù)過程中
對應(yīng)的K 值保持不變,導(dǎo)致圖11(a3)中直流系統(tǒng)恢
復(fù)速度被強(qiáng)行延緩,使恢復(fù)性能變差;而在控制策略
B 下因三相接地故障后直流電壓已恢復(fù)至0. 7Ud 及
以上,K 值已置0,第二次故障后恢復(fù)過程中直流系
統(tǒng)只需按照正常恢復(fù)速度恢復(fù),從而減少了恢復(fù)過
慢引起的功角不平衡導(dǎo)致的后續(xù)換相失敗的發(fā)生。
6　結(jié)論
筆者提出了選擇性電壓補(bǔ)償式變斜率VDCOL
控制的協(xié)調(diào)控制策略,該控制策略充分依據(jù)故障時
直流電流的變化特點(diǎn),考慮MIDC 輸電系統(tǒng)中各回
直流恢復(fù)的影響因素,通過計算設(shè)置各回直流補(bǔ)償
系數(shù)K 值來協(xié)調(diào)控制各回直流的恢復(fù)速度,并根據(jù)
故障嚴(yán)重程度選擇性地投入K 值。結(jié)合仿真結(jié)果
可得出以下主要結(jié)論:
(1)提出的電壓補(bǔ)償式變斜率VDCOL 控制策
略克服了常規(guī)VDCOL 控制無法根據(jù)直流電流水平
控制恢復(fù)速度的缺陷,在故障瞬間及切除后均能靈
敏地調(diào)整直流電流整定值,有效地抑制直流系統(tǒng)的
后續(xù)換相失敗。既不增加投資,且可操作性強(qiáng)。
(2)對于給定的MIDC 輸電系統(tǒng),根據(jù)K 值選
取標(biāo)準(zhǔn),合理選擇各回直流的補(bǔ)償系數(shù)K,即可協(xié)調(diào)
控制各回直流的故障后恢復(fù)速度,使各回直流有序
恢復(fù),從而有效抑制MIDC 輸電系統(tǒng)后續(xù)換相失敗
的發(fā)生。
(3)增加K 值切換的選擇性電壓補(bǔ)償式變斜率
VDCOL 控制策略能根據(jù)故障嚴(yán)重程度選擇性投入,
使各回直流在輕微交流故障時能保持良好的恢復(fù)特
性,而在發(fā)生嚴(yán)重交流系統(tǒng)故障時能使各回直流的
穩(wěn)定恢復(fù)。
(4)降低MIDC 輸電系統(tǒng)后續(xù)換相失敗發(fā)生的
概率能夠使MIDC 輸電系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定地運(yùn)行,
在發(fā)生較嚴(yán)重故障時,不至于造成大面積的停電事
故,有利于提高當(dāng)今能源互聯(lián)格局中交直流系統(tǒng)互
聯(lián)的穩(wěn)定性。本文僅針對實(shí)際上海電網(wǎng)進(jìn)行了仿真
驗(yàn)證,然而該方法對采用同樣直流輸電控制保護(hù)系
統(tǒng),且具有同樣的多回直流系統(tǒng)饋入同一受端交流
系統(tǒng)特征的MIDC 輸電系統(tǒng)(如南方電網(wǎng))均適用。
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8　8 電 工 電 能 新 技 術(shù)第38 卷 第4 期
Study on suppression measures of subsequent commutation failure
in MIDC transmission systems
WEN Jun1, LI Jia-qi1, WANG Ling1, HAN Min-xiao1, LI Ya-nan2, YAN Han1, LI Rong1
(1. Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;
2. State Grid Economic and Technological Research Institute Co. , Ltd, Beijing 102209, China)
Abstract: With the increasing of DC transmission capacity, HVDC connecting points are becoming more and more
crowded, and commutation failure becomes increasingly prominent in MIDC transmission systems. To reduce the
probability of commutation failure in MIDC systems, this paper first analyzes the fundamental causes of simultaneous
or successive commutation failure, and then combing with the tradition VDCOL control puts forward the coordinated
control strategy of variable slope VDCOL with voltage compensation. The control strategy takes advantage of
the DC current characteristics while fault occurs, considers the influence factors of the DC systems characteristics in
MIDC transmission system, and selects the reasonable compensation coefficient K, so that the MIDC systems can be
recovered stably after faults, and the occurrence of subsequent commutation failure will be reduced. At the same
time, according to the severity of the fault, the K value is selectively introduced in order to improve the recovery
performance of the DC systems. Finally the example system and the actual system are built in PSCAD/ EMTDC.
Simulation results show that the control strategy can effectively reduce the probability of following commutation failure
in MIDC transmission systems, and makes all DC system recovery orderly after fault, meanwhile ensures the
good recovery performance which can greatly improve the safety and reliability in MIDC transmission systems.
Key words: MIDC transmission system; compensation voltage; VDCOL; commutation failure; compensation coefficient;
fault recovery

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